تكنولوجيا سوداء! عندما تشرق الشمس، يتوفر الماء النظيف! هذه المادة المذهلة، نكشفها لكم!

يُعد نقص المياه العذبة تحديًا متزايد الخطورة للتنمية الاجتماعية. تشير التقارير إلى أن 29٪ من سكان العالم يفتقرون إلى مياه شرب آمنة، ولا يزال الطلب على المياه النظيفة يتزايد بسبب النمو السكاني والقضايا البيئية. تُعد المياه النظيفة المرتبطة بالصرف الصحي مهمة بشكل خاص في سياق تفشي مرض فيروس كورونا (الالتهاب الرئوي الناجم عن فيروس كورونا الجديد). يُعد تبخير المياه بالطاقة الشمسية أحد أكثر التقنيات الواعدة لإنتاج المياه النظيفة من مياه البحر ومياه الصرف الصحي باستخدام ضوء الشمس كمدخل وحيد للطاقة. تعتمد هذه التقنية بشكل كبير على ممتصات الطاقة الشمسية، والتي تعمل كمبخرات لتحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة لإنتاج البخار. لتحقيق معدلات تبخر عالية للمياه وكفاءة تحويل الحرارة الشمسية، يجب أن تتمتع المادة المثالية بنطاق امتصاص واسع للاستفادة بكفاءة من جزء كبير من الطيف الشمسي، وموصلية حرارية منخفضة لقمع فقدان الحرارة، وقنوات مسامية ثلاثية الأبعاد (3D) لنقل المياه بكفاءة. حتى الآن، قام العلماء بتطوير مواد ضوئية حرارية مختلفة تعتمد على الكربون (على سبيل المثال، الجرافين أو أنابيب الكربون النانوية)، والبوليمرات، والمعادن وأكاسيد المعادن وهجائنها، وما إلى ذلك.

لقد عمل العلماء بجهد لاستكشاف العديد من الإنجازات وتحقيقها في السنوات الأخيرة، لذلك دعونا نتعلم من العديد من المنشورات الموضوعية حول التقدم البحثي في ​​مجال توليد المياه النظيفة الضوئية الحرارية في السنوات الأخيرة.

1. Nature Communications: أوراق النباتات تُلهم ابتكار جهاز تنقية مياه عالي الكفاءة يعمل بالطاقة الشمسية

تعتمد أوراق النباتات الوعائية الطبيعية على اختلافات الضغط الأسموزي والنتح والإخراج لإنتاج أطنان من المياه النظيفة، مستفيدةً من طاقة ضوء الشمس. واستلهامًا من ذلك، طوّر باحثون في مجموعة تشون لي بجامعة تشينغهوا جهاز تنقية يعمل بالطاقة الشمسية لتنقية المياه وإنتاجها بكفاءة عالية. يتميز هذا الجهاز بهيدروجيل بولي (N-أيزوبروبيل أكريلاميد) (PN) يستجيب لدرجة الحرارة السالبة، مثبت على هيكل رغوي من الميلامين فائق المحبة للماء، ومغطى بغشاء ترشيح من الجرافين المعدل بـ PNIPAm (PG) من الخارج. وأظهرت محاكاة الديناميكا الجزيئية والنتائج التجريبية أن الطبيعة فائقة المحبة للماء لهيكل الميلامين الصلب نسبيًا تُسرّع بشكل ملحوظ معدل انتفاخ/انكماش جهاز تنقية PNPG-F. تحت نفس شدة الإشعاع الشمسي، حقق هذا الهيكل المصمم هندسيًا بكفاءة عالية معدل تجميع 4.2 كجم/م²/ساعة وإزالة أيونات بنسبة تزيد عن 99% باستخدام وحدة PNPG-F واحدة من محلول ملحي، وذلك بفضل التأثيرات التآزرية للتبخر والتنقيط. ويتوقع الباحث تطبيقات واسعة النطاق لهذا النظام عالي الكفاءة الذي يعمل بالطاقة الشمسية في مختلف تطبيقات معالجة المياه. نُشرت الدراسة في ورقة بحثية بعنوان "جهاز تنقية يعمل بالطاقة الشمسية مستوحى من أوراق النباتات لإنتاج مياه نظيفة عالية الكفاءة" في مجلة Nature Communications الفرعية التابعة لمجلة Nature.

2. التقدم العلمي: شبكات بوليمرية عالية الترطيب من الهلاميات المائية الماصة للضوء لتنقية المياه بالطاقة الشمسية

يُعدّ تبخير الماء بالطاقة الشمسية لتنقية المياه تقنيةً واعدةً لإنتاج المياه العذبة. ومع ذلك، فإنّ توليد بخار الماء الشمسي يتطلب طاقةً كبيرة، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاج الماء تحت ضوء النهار الطبيعي. لذلك، هناك حاجةٌ ماسةٌ لتطوير مواد جديدة تُقلّل من الطلب على الطاقة لتبخير الماء وتُسرّع من عملية تنقية المياه بالطاقة الشمسية. وقد أفادت مجموعة البروفيسور جويهوا يو في أوستن، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية، عن هلام هيدروجيل عالي الترطيب وممتصّ للضوء (h-LAH)، مُكوّن من كحول البولي فينيل والكيتوزان كأساسٍ للترطيب، وبولي بيرول كممتصّ للضوء، والذي يُمكنه استخدام طاقة أقل (أقل من 50% من حجم الماء) لتبخير الماء. وقد ثَبُتَ أن زيادة سعة الترطيب لهلام هيدروجيل عالي الترطيب يُمكن أن يُغيّر حالة الماء ويُنشّطه جزئيًا، مما يُسهّل تبخره. وقد زاد هذا الهلام من إنتاج بخار الماء الشمسي إلى مُعدّل قياسي بلغ حوالي 3.6 كجم/م2/ساعة في شمس واحدة. أظهر تبخير المياه بالطاقة الشمسية القائم على h-LAH ​​متانة طويلة الأمد وخصائص مضادة للرواسب ضد الملوثات الأيونية المعقدة. نُشر البحث في ورقة بحثية بعنوان "جهاز تنقية مياه نقية عالي الكفاءة مستوحى من أوراق النباتات، يعمل بأشعة الشمس" في مجلة العلوم الفرعية "Science Advances".

3. أنجو: مواد COF ذات قدرة فائقة على امتصاص الماء وامتصاص الضوء على نطاق واسع لتبخر الماء بالحرارة الضوئية

تُعدّ نفور البوليمرات العضوية المسامية المتأصل وامتصاصها المحدود للضوء، وخاصةً في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، من العوائق التي تعيق تطبيقها في توليد البخار الشمسي (SSG). وقد طوّر باحثون في مجموعة شياولي يان بجامعة جيلين إطارًا عضويًا تساهميًا (COF) قائمًا على 1,4,5,8،9,10،1.42،2 رباعي فينيل أمينو أنثراسين-94،2-ديون (TPAD) (TPAD-COF)، والذي يتميز بمحبة فائقة للماء وامتصاص واسع للضوء يغطي SSG من كامل منطقة الأشعة فوق البنفسجية/المرئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء. ويُظهر TPAD-COF، باعتباره مادة تحويل ضوئي حراري فعّالة بدون أي إضافات، تبخرًا ممتازًا للماء يبلغ 2 كجم/مXNUMX/ساعة، ويحقق كفاءة تحويل طاقة عالية تبلغ XNUMX% تحت إشعاع شمسي واحد. وقد تم تحقيق توسع إضافي في نطاق امتصاص الضوء COF القائم على TPAD من خلال التعديل ما بعد التخليق لجزيئات BFXNUMX المخلّبة. تؤكد تجارب التحكم المنهجية والتحليلات أن خاصية محبة الماء لمادة التحويل الضوئي الحراري تلعب دورًا أكثر هيمنة في أطر COF الحالية القائمة على TPAD والمستخدمة في تبخر الماء الضوئي الحراري. نُشر البحث، المعنون "الأطر العضوية التساهمية ثنائية الأبعاد فائقة المحبة للماء كممتصات واسعة النطاق لتوليد بخار شمسي فعال"، في مجلة Angewise الدولية المرموقة. نُشر العمل في المجلة الدولية المرموقة Angew. Chem. Int. Ed.

4. JACS: هلام COF/الجرافين ثنائي المنطقة محب للماء-كاره للماء لتبخر الماء بالحرارة الضوئية

يُعد تبخر الماء بالطاقة الشمسية تقنية معالجة مياه مستدامة يمكن أن تساعد في التخفيف من ندرة المياه العالمية. ومع ذلك، تواجه هذه التقنية تحديات كبيرة بسبب ارتفاع استهلاك الطاقة وانخفاض معدل تبخر الماء. أبلغت مجموعة البروفيسور آرن توماس في الجامعة التقنية في برلين بألمانيا عن هلام عضوي تساهمي ثنائي المنطقة (COF)/جرافين يحتوي على كل من المناطق المحبة للماء والكارهة للماء في مادة واحدة من خلال استراتيجية نمو بسيطة في الموقع. يغطي COF المحب للماء جزءًا من منطقة الجرافين الكارهة للماء. من خلال التحكم الدقيق في منطقتي البلل، يُظهر الهيدروجيل الهجين حصادًا فعالًا للضوء وقابلية بلل قابلة للضبط ومحتوى مائي مُحسَّنًا ومتطلبات طاقة منخفضة لتبخر الماء. بصفته ممتصًا للطاقة الشمسية، يحقق الهيدروجيل ثنائي المنطقة معدل توليد بخار يصل إلى 3.69 كجم/م2/ساعة لإشعاع شمسي واحد (1 كيلو وات/م1)، وهو ما يُضاهي المواد المتقدمة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام مُبخِّر الهيدروجيل هذا لإنتاج مياه شرب من مياه البحر والصرف الصحي، مما يُظهر إمكانات معالجة المياه. نُشر هذا البحث في مجلة JACS بعنوان "هيدروجيل ثنائي المنطقة من إطار عضوي تساهمي/جرافين لتعزيز توليد المياه بالطاقة الشمسية"، وهي مجلة دولية رائدة.

5. التقدم العلمي: جهاز تبخير الماء الضوئي الحراري عالي الكفاءة، مستوحى من هيكل شفرة زهرة زنبق الماء

في السنوات الأخيرة، أظهر توليد بخار الشمس عبر الواجهات إمكانات كبيرة في تحقيق كفاءة تحويل طاقة عالية لتحلية المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي. ومع ذلك، لا يمكن الحفاظ على معدلات تبخر عالية بسبب تراكم الأوساخ والملح، الذي يبدو حتميًا، على الماص الشمسي. ويتسارع التحلل مع زيادة تركيز المواد المذابة. لمعالجة هذه المشكلة، قامت مجموعة البروفيسور جيا تشو في جامعة نانجينغ، مستوحاة من بنية أوراق زنبق الماء، بتصميم هيكل متعدد المراحل (جهاز تحويل بخار ضوئي حراري مستوحى من زنبق الماء (WHS))، والذي يمكنه تحقيق كفاءة تحويل ضوئي حراري بنسبة 80% عند معالجة 10% من المياه المالحة عالية التركيز و30% من مياه الصرف الصحي. تجدر الإشارة إلى أن كفاءة التحويل الضوئي الحراري لا تنخفض بشكل كبير أثناء معالجة المحلول الملحي عالي التركيز ومياه الصرف الصحي حتى اكتمال التبخر (أي "عدم التفريغ")، ويظل السطح نظيفًا. نُشر العمل في مجلة Science Advance تحت عنوان "تصميم هرمي مستوحى من زنبق الماء من أجل تبخر شمسي مستقر وفعال لمحلول ملحي عالي الملوحة".

6. طاقة النانو: ثاني كبريتيد الموليبدينوم لتبخير الماء بالحرارة الضوئية

طوّر باحثون في مجموعة ليفينغ وان بمعهد المواد المتقدمة بجامعة ديكين سلسلة من الهياكل غير المتجانسة ثنائية كبريتيد المعادن الانتقالية ونيتريدات غنية بالنيتروجين لتبخير الماء بالطاقة الشمسية عبر التحول البلوري الجزئي. وتتميز هذه الهياكل ثنائية الأبعاد المتقدمة بامتصاص طيفي مُعزز في نطاق الأشعة تحت الحمراء، واستقرار كيميائي ممتاز في محاليل مختلفة، بما في ذلك الماء والأحماض والقواعد. والأهم من ذلك، بفضل شدة الامتصاص الطيفي المُعززة وفقدان الحرارة المُنخفض، يُظهر جهاز MoS2-Mo5N6/ رغوة الميلامين (MF) الحراري الشمسي معدل تبخر عالٍ (2.31 كجم/م² ساعة) وكفاءة تحويل عالية (106.6%)، أي أعلى بمقدار 1.4 و4.7 مرة من أجهزة MoS2/MF وMF/الماء الشمسية، على التوالي. يُقدم هذا العمل سلسلة من الهياكل غير المتجانسة ثنائية الأبعاد المتقدمة ثنائية كبريتيد المعادن الانتقالية ونيتريدات غنية بالنيتروجين، ذات أداء حراري ضوئي ممتاز لتوليد الماء بالطاقة الشمسية. تم نشر هذا العمل في مجلة Nano energy، وهي مجلة دولية رائدة، بعنوان "الهياكل غير المتجانسة ثنائية الأبعاد المتقدمة من ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية والنيتريدات الغنية بالنيتروجين لتوليد المياه بالطاقة الشمسية".

من المتوقع أن تحل تقنية تبخر الماء الضوئي الحراري الشمسي مشكلة النقص العالمي في المياه النظيفة، وما يجب حله الآن هو إعداد المواد الضوئية الحرارية بتكلفة منخفضة، والتشغيل بكفاءة عالية، فضلاً عن الاستقرار وقابلية النقل للاستخدام في بيئات التطبيق العملية، ونتطلع إلى المزيد من النتائج في المستقبل من أجل المنفعة المبكرة للبشرية جمعاء!

للحصول على مزيد من المعلومات حول رغوة الميلامين، يرجى التواصل معنا عبر البريد الإلكتروني [email protected] أو الاتصال بنا صوتيًا على الرقم: +86-28-8411-1861.

بعض الصور والنصوص مُستنسخة من الإنترنت، وحقوق الطبع والنشر محفوظة للمؤلف الأصلي. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.